逐元暗电流抑制的CMOS红外探测器读出电路研究

来源 :中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:liongliong575
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红外探测成像技术具有抗干扰能力强、侦测半径长以及可全天候工作等优点,在军事、民用和科学等领域有广泛应用。在航天应用场景中,中长波红外探测器经常面临较高的宇宙背景辐射。主流应用的碲镉汞红外探测器本身暗电流较大,并且各像元的暗电流具有较大的非均匀性。这时,采用常规读出电路方案时其输出信号动态范围过小,甚至部分像元信号电压无法读出,这大大降低了系统的动态范围。针对性这个问题,本文设计了逐元暗电流抑制的读出电路。综合考虑了各种读出电路的输入级结构,采用CTIA型放大器,来获得稳定的探测器两端偏压。设计并采用了电流镜和电流存储单元相结合的技术,由电流镜进行完整背景整体抑制,由电流存储单元完成逐元暗电流抑制。同时采用低功耗的相关双采样结构来降低电路功耗,使得该结构便于应用于焦平面阵列。电路采用CSMC0.5um Double Poly Triple Metal Mixed Signal工艺完成电路流片。电路仿真结果表明,暗电流抑制结构可以大大增加电路积分时间。同时,该读出结构的暗电流非均匀性抑制比可达-22.7d B,输出信号摆幅抑制达-17d B,读出信号线性度达97.6%,最小测量对比度小于-55d B。77K低温测试结果表明,CTIA积分输入级具有优良的性能特性,能够给探测器提供稳定偏置电压。同时,相关双采样N管跟随电路设计能有效性地减低电路总功耗。通过采用增加电流镜地线宽度的方法,能减小电流镜对地线的敏感性,有效地提高线列电路的非均匀性指标。采用电流存储单元的设计可以有效降低由于暗电流带来的输出电压非均匀性。输出摆幅达到2V,非均匀性下降幅度明显,同时并没有增加很多电路的功耗及噪声。本设计基本达到预期目的,该读出电路的设计可适用于阻抗大于106Ω的光伏型红外探测器。利用宽电流镜地线的电路设计方法可应用到将来更大规模的超长线列非制冷探测器读出电路的研制中,对尤其是中长波红外探测器读出电路的工程化研制提供了重要的参考依据。
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